Chế tạo thành công thiết bị rung siêu âm ứng dụng trong ngành đúc hợp kim nhôm

Rung siêu âm trong đúc kim loại là công nghệ phụ trợ sạch, cải tiến chất lượng vật đúc mà không sử dụng các hóa chất phụ gia công nghiệp nên mang lại tác động tích cực với môi trường và năng lượng. Công nghệ này khi áp dụng vào quá trình sản xuất sẽ góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm đúc trong khuôn kim loại, đặc biệt là ngành công nghiệp ô tô. 

Hiện nay, nhiều doanh nghiệp sản xuất đúc hợp kim nhôm sử dụng phương pháp đúc áp lực cao. Phương pháp này tạo ra sản phẩm đúc có chất lượng bề mặt rất tốt, các chi tiết thành mỏng có độ sắc nét cao. Tuy nhiên, nhược điểm lớn của phương pháp này là chi phí đầu tư ban đầu cao và yêu cầu sản lượng phải đủ lớn, đồng thời hợp kim đúc phải được tinh luyện kỹ lưỡng. 

Các nghiên cứu trong và ngoài nước đã chỉ ra 2 phương án công nghệ nhằm cải thiện chất lượng kim loại và vật đúc gồm: xử lý trực tiếp kim loại lỏng và xử lý gián tiếp bằng rung khuôn. Trong đó, phương pháp xử lý trực tiếp kim loại lỏng (sử dụng tần số cao – siêu âm) yêu cầu đầu rung siêu âm nhúng trực tiếp vào bể kim loại lỏng để truyền dao động siêu âm. Điều này yêu cầu vật liệu của đầu rung có khả năng chịu nhiệt, đồng thời nhiệt độ của đầu rung phải được kiểm soát để đảm bảo tính ổn định của quy trình sản xuất. Trong khi đó, phương pháp rung khuôn khi đúc chỉ mới được nghiên cứu thực hiện với tần số thấp, điều này không tận dụng được các hiệu ứng như xâm thực hay luồng dao động nhằm tác động mạnh mẽ đến quá trình kết tinh của kim loại. Hơn nữa, việc rung khuôn tần số thấp với các thiết bị như bàn rung, động cơ lệch tâm có biên độ tương đối lớn sẽ khiến cho độ chính xác và chất lượng bề mặt của chi tiết đúc bị ảnh hưởng. 

Chính vì thế, TS. Nguyễn Thanh Hải và cộng sự tại Trường Đại học Bách Khoa TPHCM (ĐHQG TPHCM) đã triển khai nhiệm vụ khoa học và công nghệ “Nghiên cứu công nghệ và thiết bị rung siêu âm ứng dụng đúc hợp kim nhôm trong khuôn kim loại”. Đây là hướng đi rất mới, ứng dụng rung khuôn siêu âm khi đúc khuôn kim loại tĩnh, hoàn toàn có thể tạo nên một quy trình sản xuất mới trong thực tế, tạo ra sản phẩm đúc có chất lượng tương đương như đúc áp lực mà không cần đầu tư chi phí cho thiết bị đúc áp lực. Từ đó, giúp các doanh nghiệp sản xuất đúc truyền thống cải tiến dây chuyền sản xuất, thậm chí có thể phối hợp triển khai thực hiện thử nghiệm, tiến đến sớm chuyển giao công nghệ ứng dụng vào thực tiễn sản xuất.

Trọn bộ giải pháp được nhóm kỹ sư - chuyên gia tại Đại học Bách Khoa TPHCM hoàn thiện, vận hành ổn định.

Thiết bị đúc nhôm sử dụng khuôn rung siêu âm

TS Nguyễn Thanh Hải cho biết, trong nghiên cứu đã sử dụng dao động siêu âm với tần số 20kHz và công suất 2kW sẽ tác động trực tiếp vào khuôn vật đúc trong quá trình đông đặc. Thông số này dựa trên các tính toán về ngưỡng xâm thực của hợp kim nhôm lỏng, đồng thời là thông số được lựa chọn cho phù hợp với các yêu cầu về khả năng của thiết bị và quy định về tiếng ồn khi hoạt động. 

Các nghiên cứu trước đây cho thấy, mức tần số 20kHz là phù hợp, cao hơn mức tần số này, thiết bị không đảm bảo công suất hay nói cách khác do biên độ dao động quá nhỏ làm cho khả năng truyền sóng và phạm vi ảnh hưởng của siêu âm giảm xuống, từ đó các tác động đến chất lượng của vật đúc không đáng kể. Còn với mức tần số thấp hơn 20kHz thì sẽ gây tiếng ồn khó chịu ảnh hưởng đến người lao động trong quá trình sản xuất. 

Quá trình đúc được thực hiện với hệ thống lò nấu, rót kim loại và hệ rung siêu âm được thiết kế và chế tạo theo yêu cầu nghiên cứu. Kết quả thực nghiệm cho thấy khi có siêu âm, mẫu đúc đạt kết quả tốt hơn, cụ thể giảm và gần như không có khuyết tật bên trong, cơ tính độ bền kéo của vật đúc bằng hợp kim nhôm tăng, tổ chức cấu trúc tế vi mịn hơn, giảm thiên tích từ đó cải thiện chất lượng vật đúc bên trong. Vì thế, việc áp dụng rung siêu âm khi đúc trong khuôn kim loại tĩnh giúp cải thiện chất lượng vật đúc đạt được các ưu điểm cao khá tương tự như đúc áp lực. Công nghệ rung khuôn siêu âm khi đúc khuôn kim loại tĩnh sẽ hỗ trợ doanh nghiệp cải tiến các quy trình đúc trong khuôn kim loại tĩnh, mà chỉ cần đầu tư chi phí thấp hơn.

Thiết kế mẫu đúc

Ngoài ra, nhóm thực hiện còn chú ý đến quá trình đông đặc dưới tác động siêu âm trên vật liệu là hợp kim nhôm. Theo đó, nhóm đã chọn nhôm ADC12 để tiến hành nghiên cứu vì đây là loại hợp kim có hàm lượng Silic cao (8-12%), thường được dùng làm nguyên liệu trong các nhà máy sản xuất các bộ phận, phụ tùng bằng hợp kim nhôm (thiết bị điện tử, linh kiện ô tô, xe điện, xe máy, máy móc công – nông nghiệp…) theo phương pháp đúc áp lực. 

TS Nguyễn Thanh Hải nhận định, quá trình đông đặc nhôm ADC12 có thể làm nền tảng để tiếp tục triển khai các nghiên cứu mới về công nghệ và thiết bị cho việc đúc các chi tiết và kết cấu kim loại khác, thậm chí là nghiên cứu chuyên sâu về các phương pháp công nghệ cải thiện chất lượng của vật đúc nói chung và đúc trong khuôn kim loại nói riêng. Bởi vì, nhóm hợp kim Al - Si có đặc trưng là khả năng đúc tốt, chống ăn mòn tốt, có thể gia công cắt gọt và hàn, chiếm khoảng 85-90% tổng sản lượng nhôm đúc được sản xuất. 

Thiết kế khuôn đúc

Thiết bị đúc hợp kim nhôm có hỗ trợ rung khuôn siêu âm được thiết kế và chế tạo với các thông số kỹ thuật có quy mô phòng thí nghiệm. Thiết bị bước đầu có khả năng vận hành tốt, đúc được các sản phẩm có chất lượng cao. Với một số thiết kế khuôn thay đổi, thiết bị có thể đúc được các mẫu thử dùng cho đo kiểm cũng như các chi tiết cơ khí kích thước nhỏ dùng trong một số máy móc thông dụng. 

Hội đồng tư vấn nghiệm thu nhiệm vụ khoa học - công nghệ do Sở KH&CN TPHCM tổ chức hồi quý 2/2022 trực tiếp kiểm sát thiết bị - giải pháp thành phẩm tại trường Đại học Bách khoa TPHCM

"Tuy việc chuyển giao ứng dụng thiết bị này vào sản xuất thực tế vẫn còn một chặng đường lâu dài, nhưng hoàn toàn có thể rút ngắn nếu có sự phối hợp tích cực của doanh nghiệp ngành đúc. Đó là sự đào tạo nhân lực vận hành quy trình công nghệ đúc có hỗ trợ siêu âm, sự thay đổi thiết kế khuôn và cải tiến công suất máy cho phù hợp với quy mô sản xuất thực tế nhằm hoàn thiện quy trình công nghệ ứng dụng siêu âm để cải thiện chất lượng vật đúc", đại diện nhóm triển khai nhiệm vụ chia sẻ thêm.

Nhóm tác giả cũng đề xuất cần tiếp tục nghiên cứu mở rộng khả năng ứng dụng công nghệ rung siêu âm ứng dụng đúc hợp kim nhôm trong khuôn kim loại như: cải tiến công suất nguồn siêu âm, kích thước vật đúc và khuôn, các yêu cầu về xử lý hợp kim đúc trong quá trình nấu chảy và rót vào khuôn.